0 引言

由于國內(nèi)動車組輔助供電系統(tǒng)的容量參數(shù)大部分是直接引用國外樣機的設計參數(shù)，沒有實驗數(shù)據(jù)的支持，無法確定中國動車組現(xiàn)有輔助供電系統(tǒng)參數(shù)的合理性。為了在設計上更好地適應中國鐵路復雜的運行環(huán)境以及適應中國設計和制造平臺，滿足長距離、長時間連續(xù)運行條件，實現(xiàn)中國高速動車組技術全面獨立，從2012年初開始，國內(nèi)相關企業(yè)、高校和科研單位等就已著手聯(lián)合各種優(yōu)勢力量，開展相關的研究工作。

通過對中國動車組輔助供電系統(tǒng)負荷能耗進行長期跟蹤試驗，才能獲得其負荷能耗的實際消耗值，為中國動車組輔助供電系統(tǒng)容量設計提供可靠的數(shù)據(jù)支持。本文對動車組輔助供電系統(tǒng)負荷能耗測試裝置進行設計，實現(xiàn)對各負荷的電壓、電流、功率因數(shù)、能耗等測試量的采集、記錄和存儲等，從而得到各負荷的運行狀況，為中國動車組輔助供電系統(tǒng)設計的合理性分析提供數(shù)據(jù)支持。

1 整體設計方案

因動車組輔助供電系統(tǒng)的各負載分布于8節(jié)編組車輛中，動車組輔助供電系統(tǒng)負荷能耗測試裝置的設計方案將下位機配置在每一節(jié)車輛中，下位機接收到工控機發(fā)送的數(shù)據(jù)請求指令后，將采集的數(shù)據(jù)通過車載以太網(wǎng)交換機傳輸?shù)焦た貦C，工控機將接收的數(shù)據(jù)在其數(shù)據(jù)采集軟件上進行顯示和存儲，整體方案結(jié)構如圖1所示。

圖1 能耗測試裝置整體方案結(jié)構

單節(jié)車廂所配置的數(shù)據(jù)采集器是基于電壓、電流互感器制作而成，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)對濾波格式轉(zhuǎn)化等簡單處理后再通過車載以太網(wǎng)交換機傳輸?shù)焦た貦C中。

2 下位機設計方案

下位機硬件系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集裝置、以STM32F103單片機為核心的智能處理裝置2大部分組成，其中智能處理裝置由CPU芯片、供電模塊、鍵盤模塊、存儲模塊、通信模塊、地址模塊、啟動模塊等部分構成[6～9]。下位機總體結(jié)構如圖2所示。

2.1 信號采集模塊的設計

下位機信號采集模塊采用RN7302三相電測儀表專用芯片進行電量信息的采樣和檢測。下位機除信號采集模塊外還包括電流互感器、電阻分壓網(wǎng)絡等外圍電路。電流信號經(jīng)電流互感器，電壓信號經(jīng)電阻分壓網(wǎng)絡均傳送給計量芯片RN7302進行處理，由其完成各電能參數(shù)的測量，并通過SPI總線將數(shù)據(jù)傳遞給STM32F103進行處理。

圖2 下位機總體結(jié)構

2.2 智能處理單元設計

智能處理裝置是下位機的核心，采用STM32F103單片機及其擴展電路實現(xiàn)下位機控制和運算處理功能。STM32F103單片機對RN7302采集的數(shù)據(jù)進行處理，同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程傳輸、存儲等功能。

2.3 下位機軟件設計

下位機具備可靠的信號數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸、參數(shù)修改等功能。本設計中以Keil uVision4為平臺，使用C語言進行軟件設計。軟件系統(tǒng)的各模塊及其功能如下：

（1）信號采集處理模塊：采集電量數(shù)據(jù)，處理轉(zhuǎn)換。

（2）數(shù)據(jù)存儲模塊：按時存儲系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

（3）芯片通訊模塊：芯片之間傳輸數(shù)據(jù)。

（4）網(wǎng)絡通訊模塊：在上下位機之間實時傳輸數(shù)據(jù)。

（5）按鍵掃描模塊：通過按鍵可對下位機進行簡單的操作。

主循環(huán)程序主要完成電量計算、數(shù)據(jù)保存、掃描按鍵、數(shù)據(jù)通信等功能。下位機上電后，系統(tǒng)進行初始化，清除看門狗，采集器開始正式工作；隨后采集器對當前時間段內(nèi)的電量進行計量，每到一定時間對當前的電量進行一次計量，儲存當時的電能值。在主程序中，不同條件下的中斷會導致各相應模塊產(chǎn)生中斷響應，并在滿足條件的情況下調(diào)用子程序。在計量過程中，需要通過軟件對計量的數(shù)值格式進行相應轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后儲存在數(shù)據(jù)存儲器中。CPU可讀取當前寄存器的數(shù)據(jù)處理結(jié)果并通過網(wǎng)絡通信發(fā)送給上位機。下位機的主程序流程如圖3所示。

圖3 下位機主程序流程

3 上位機軟件設計

上位機直接采用安裝了Win7系統(tǒng)的工控機，因此只需進行上位機軟件設計。上位機采用LabVIEW開發(fā)數(shù)據(jù)采集軟件[10～13]。

正常運行過程中，下位機需要通過以太網(wǎng)交換機向工控機傳輸數(shù)據(jù)，而工控機需將數(shù)據(jù)進行存儲與顯示，工控機的數(shù)據(jù)庫采用MySQL。上位機的數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。

為了完成數(shù)據(jù)采集，首先建立工控機數(shù)據(jù)采集軟件與數(shù)據(jù)庫的正常連接，同時采用UDP協(xié)議與8節(jié)車廂進行數(shù)據(jù)通信連接。準備工作完成后，通過以太網(wǎng)交換機向下位機發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令，此時下位機采集系統(tǒng)開始進行數(shù)據(jù)采集工作，同時通過以太網(wǎng)交換機向工控機進行數(shù)據(jù)上傳，工控機接收到數(shù)據(jù)之后將數(shù)據(jù)存儲在MySQL數(shù)據(jù)庫中，并通過數(shù)據(jù)采集軟件的人機接口界面進行數(shù)據(jù)顯示，實現(xiàn)實時在線監(jiān)測的目的。同時，工控機軟件系統(tǒng)加入了故障顯示與處理模塊，發(fā)現(xiàn)故障信號后可及時報警與存儲，為設備的穩(wěn)定運行以及后期維護提供了可靠的技術手段。

圖4 上位機數(shù)據(jù)處理流程

4 單節(jié)車輛數(shù)據(jù)采集方案設計

對單節(jié)車輛的數(shù)據(jù)采集方案進行設計，設計方案如圖5所示。

圖5 單節(jié)車輛數(shù)據(jù)采集方案

因各負載在輔助供電系統(tǒng)中均設有統(tǒng)一的端子編號，根據(jù)端子編號，在相應的端子排電流進線端卡接互感器。當負載工作時，下位機數(shù)據(jù)采集器接收互感器采集的電流信號并進行數(shù)據(jù)處理，然后通過下位機的通信模塊傳輸出去，并通過車載以太網(wǎng)交換機將數(shù)據(jù)傳遞給工控機，由工控機數(shù)據(jù)采集軟件進行數(shù)據(jù)存儲與顯示。

該裝置一共需要制作8個數(shù)據(jù)采集器以滿足不互通車廂中壓負荷的數(shù)據(jù)采集工作，而上位機控制中心則只需1臺設備?，F(xiàn)場圖片如圖6所示。

圖6 現(xiàn)場圖片

5 結(jié)語

該裝置運行過程穩(wěn)定可靠，并提供了布局簡潔合理、重點突出、易于監(jiān)控、操作簡單、方便實驗人員調(diào)試和使用并適合長期無人值守的人機交互界面，完全實現(xiàn)了對輔助供電系統(tǒng)各負荷的電壓、電流、功率、功率因數(shù)和能耗等測試量的采集、記錄和存儲功能，為以后的數(shù)據(jù)下載以及動車組輔助供電系統(tǒng)設計的合理性分析提供了條件。

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